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Diese Anmeldung nimmt die Priorität der koreanischen
Patentanmeldungen No. 1999-6822 bzw. 1999-27818, eingereicht am
02. März
1999 bzw. am 09. July 1999, in Anspruch.
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Hintergrund
der Erfindung
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(1) Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Puls-Energiesystem.
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(2) Beschreibung des Standes
der Technik
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Ein Puls-Energiesystem wird verwendet,
um elektrische Energie zu speichern und dann die Energie zu einem
einzelnen Zeitpunkt zu entladen, um eine große Menge von elektrischer Leistung
zu erzeugen.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines herkömmlichen
Puls-Energiesystems.
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Ein herkömmliches Puls-Energiesystem weist
eine Energieversorgung 110, welche einen Generator, einen
Transformator und einen Gleichrichter hat, einen Energiespeicher 120 zum
Speichern von Ladungen, einen Schalter 130 zum Steuern
der elektrischen Energie, eine Übertragungsleitung 140 und eine
Last 150 auf, an welche gepulste Energie angelegt wird.
Solch ein Puls-Energiesystem kommt gewöhnlich in einem Plasmastrahlsystem
und einem elektromagnetischen Schweißsystem zur Anwendung.
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U.S. Patente No. 3, 158, 207, 3,
364, 708, 3, 500, 942, 3, 583, 766, 3,679,007 und 5,106,164 offenbaren
Plasmastrahlsysteme, in welchen verschiedenartige Puls-Energiesysteme
zur Anwendung kommen.
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U.S. Patent No. 5,465,030, von welchem
angenommen wird, dass es den nächstliegenden
Stand der Technik repräsentiert,
offenbart eine Triggervorrichtung für einen Hochspannungsquellen-Funkenstrecken-Entlader,
welche eine Bogenentladungsröhre
aufweist, welche eine erste und eine zweite Primärelektrode und eine Triggerelektrode
und einen Schalter, einen Trigger-Widerstand und einen begrenzenden
Widerstand in Reihe mit der Hochspannungsquelle hat, wobei der Triggerwiderstand
parallel zu der ersten Primärelektrode
und der Triggerelektrode ist.
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Wenn ein Puls-Energiesystem in solch
einem Plasmastrahlsystem zur Anwendung kommt, sind die Sicherheit
und die Dauerhaftigkeit des Schalters signifikante Probleme. Das
heißt,
es gibt ein Bedürfnis
für einen
Schalter, welcher fähig
ist, einen möglichen
Schaden durch hohen Strom an einer Elektrode zu reduzieren, und
welcher einen versehentlichen Betrieb des Schalters verhindert,
welcher durch eine ungewollte Auslösung desselben verursacht wird.
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Zusätzlich wurde die Übertragungsleitung aus
einem Koaxialkabel gemacht, von welcher eine Skintiefe zum Reduzieren
des Wechselstrom-Widerstands angenommen wird.
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Es ist ein Ziel der Erfindung, einen
Lichtbogenschalter bzw. ein Puls-Energiesystem, welches einen Lichtbogenschalter
hat, bereitzustellen, wobei der Lichtbogen so eingerichtet ist,
dass er eine ausfallsichere Funktion hat, um einen versehentlichen Betrieb
des Systems zu verhindern, und einfach in der Struktur ist, wodurch
Herstellungskosten verringert werden.
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Dies wird erreicht mittels eines
Lichtbogenschalters gemäß Anspruch
1 bzw. mittels eines Puls-Energiesystems gemäß Anspruch 6. Vorteilhafte
Ausführungsformen
werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die beigefügten Zeichnungen, welche in
die Beschreibung einbezogen sind und einen Teil der Beschreibung
bilden, erläutern
eine Ausführungsform der
Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, das Prinzip
der Erfindung zu erklären:
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1 ist
ein Blockdiagramm, welches ein konventionelles Puls-Energiesystem
darstellt;
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2 ist
eine Schnittansicht eines Schalters eines Puls-Energiesystems gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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3 ist
eine Unteransicht einer zweiten Elektrode eines in 2 abgebildeten Schalters;
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4 ist
eine Schnittansicht, welche einen mittels einer Verschiebung einer
ersten Elektrode eines in 2 dargestellten
Schalters verursachten Entladungszustand zeigt; und
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5 ist
eine Schnittansicht eines Schalters, welcher nicht zur Erfindung
gehört.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nun unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
im Detail beschrieben.
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2 zeigt
einen Lichtbogenschalter für
ein Puls-Energiesystem
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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Wie in der Figur gezeigt, weist ein
Lichtbogenschalter ein zylindrisches Gehäuse "H",
welches untere und obere Körper 7 und 8 hat,
welche koaxial angeordnet sind, eine erste Elektrode 1,
welche innerhalb des zylindrischen Gehäuses "H" in
einer vorgegebenen Distanz von einem inneren Umfang des zylindrischen
Gehäuses "H" angeordnet ist, und eine an dem inneren
Umfang des unteren Körpers 7 des Zylindergehäuses "H" angeordnete zweite Elektrode 5 auf.
An einem unteren Ende der ersten Elektrode 1 ist eine Elektrodenspitze 1a gekuppelt,
welche konusförmig
ist. Vorzugsweise hat die Elektrodenspitze 1a Bolzen- und
Mutterstruktur und ist abnehmbar, so dass die Spitze 1a leicht
ausgewechselt werden kann.
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Die erste Elektrode 1 ist
an einen ersten Elektrodenanschluss 2 für positive Spannungen gekoppelt,
während
die zweite Elektrode 5 an einen zweiten Elektrodenanschluss 6 für negative
Spannungen gekoppelt ist.
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Eine Magnetspule „A", welche an den ersten Elektrodenanschluss 2 gekoppelt
ist, und ein Energie liefernder Anschluss 3, zu welchem
Strom von der Stromversorgung fließt. Und die Magnetspule A ist mittels
eines vorgegebenen Wicklungsverhältnisses "N"-mal um einen Außenumfang des unteren Körpers 7 des
zylindrischen Gehäuses "H" gewickelt, so dass ein magnetisches
Feld in eine Richtung einer Z-Achse ausgebildet wird.
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Vorzugsweise besteht die Magnetspule
aus Litzendraht, um einen Oberflächenbereich
zu vergrößern und
einen Energie-Verlust
zu reduzieren, wodurch ein Hochleistungspuls effektiv übertragen
wird.
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Obgleich das zylindrische Gehäuse "H" für einen
bequemen Zusammenbau in den unteren und oberen Körper 7 und 8 separiert
ist, ist es möglich, diese
integral in einem einzelnen Körpers
auszubilden.
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Zwischen der ersten und der zweiten
Elektrode 1 und 5 ist ein Isolator 10 angeordnet,
so dass ein versehentliches Betätigen
des Schalters verhindert wird. Der Isolator 10 befindet
sich an einer Innenseite des Gehäuses "H" und ist mit mehreren Stufen versehen,
um mittels Vergrößern seiner
Oberfläche
die Durchschlag-Spannungen zu erhöhen.
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Auf einer Spitze der ersten Elektrode 1 ist
ein Ring 11 ausgebildet, welcher für eine entlang einer Zentralachse
des zylindrischen Gehäuses "H" realisierte Auf- und Abbewegung an
einen Aktuator (nicht gezeigt) gekoppelt ist. Vorzugsweise ist ein
Linearlager 9 zwischen dem oberen Körper 8 des Gehäuses "H" und der ersten Elektrode 1 angeordnet,
so dass die Auf- und Abbewegung der ersten Elektrode 1 gleichmäßig realisiert
werden kann.
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Wenn die Spitze 1a der ersten
Elektrode 1 und die zweite Elektrode 5 sich mittels
Herabbewegens in geeigneter Weise nahe beieinander halten, wird
ein Lichtbogen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 1 und 5 erzeugt.
Zu diesem Zweck ist bevorzugt, dass die Spitze 1a der ersten
Elektrode 1 konusförmig
ist, und die zweite Elektrode 5, welche der Spitze 1a gegenüber liegt,
eingerichtet ist, so dass ein konusförmiger Raum definiert wird,
welcher zu der Konusform der Spitze 1a korrespondiert.
Und eine Neigung der konusförmigen
Spitze 1a ist größer als
die der Konusform einer inneren Oberfläche 5a der zweiten
Elektrode 5. Ferner ist die zweite Elektrode 5 mit
einer geneigten oberen Oberfläche 5b bereitgestellt,
welche sich von der konusförmigen
inneren Oberfläche 5a der
zweiten Elektrode 5 zu der zylindrischen Oberfläche 5c erstreckt,
um die steile Neigung zu verhindern, welche zwischen den Oberflächen 5a und 5c auftreten
kann.
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Wie in 3 gezeigt,
welche eine Unteransicht der zweiten Elektrode 5 zeigt,
ist die zweite Elektrode 5 ferner mit einem radial weggeschnittenen Bereich 5c versehen,
so dass ein induktiver Strom davon abgehalten wird, das magnetische
Feld zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 1 und 5 zu
behindern.
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4 zeigt
eine Schnittansicht, welche einen Bogenentladungs-Zustand erläutert, wenn
die konusförmige
Spitze 1a der ersten Elektrode 1 sich nahe an
der konusförmigen
inneren Oberfläche 5a der
zweiten Elektrode 5 hält.
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Wenn sich die konusförmige Spitze 1a nahe der
konusförmigen
inneren Oberfläche 5a befindet, ist
der geringst beabstandete Abschnitt zwischen ihnen am oberen Ende
der konusförmigen
inneren Oberfläche 5a ausgebildet,
wohingegen der weitest beabstandete Abschnitt am unteren Ende ausgebildet
ist, da die Neigung der konusförmigen
Spitze 1a größer als
die der konusförmigen
inneren Oberfläche 5a ist.
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Der geringst beabstandete Abschnitt
wird eine Initialentladungszone "B", in der die Bogenentladung
auftritt. Die Bogenentladung erzeugt ein magnetisches Feld in einer
Umfangsrichtung "–Z" der ersten Elektrode 1.
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Daher wird die Bogenentladung mittels
der magnetischen Felder in der Achsenrichtung "–Z" und mittels Lorenzkraft
in die Umfangsrichtung "θ" geführt. Das
heißt,
der Lichtbogen läuft
spiralig abwärts entlang
eines Raumes zwischen der konusförmigen Spitze 1a der
ersten Elektrode 1 und der konusförmigen inneren Oberfläche 5a der
zweiten Elektrode 5 in die Achsenrichtung "–Z". Wenn benötigt, kann ein Loch, welches
beides, die zweite Elektrode und das Gehäuse "H",
durchdringt, ausgebildet werden, um die Druckbelastung zu reduzieren,
welche durch den Lichtbogen verursacht wird.
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Wie oben beschrieben, wird ein Schaden
an den Elektroden verhindert, weil die Elektroden nicht lokal entladen
werden, wenn der Lichtbogen spiralförmig bewegt wird, wodurch die
Haltbarkeit des Schalters verbessert wird.
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Zusätzlich kann die Schädigung des
Isolierglieds 10 verhindert werden, weil der Lichtbogen
von dem Isolierglied 10 weg bewegt wird. Und auch ein Beschichten
des Isolierglieds 10 der ersten Elektrode 1 mit
leitfähigem
Material wird drastisch reduziert. Demgemäß wird die Möglichkeit
eines Vortriggers oder eines ungewollten Triggers reduziert, wobei
die Sicherheit und die Zuverlässigkeit
des Schalters erhöht
wird.
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Mittels "N"-maligen
Variierens des Wicklungsverhältnisses
kann die Intensität
des Magnetfeldes optimiert werden, so dass es für ein Puls-System am geeignetsten
ist.
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5 zeigt
einen Lichtbogenschalter, welcher nicht zu der Erfindung gehört.
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Wie in der Zeichnung gezeigt, weist
ein Lichtbogenschalter eine zylindrische erste Elektrode 31, eine
geerdete Elektrode 32, welche entlang einer Zentralachse
der zylindrischen ersten Elektrode 31 angeordnet ist und
sich abwärts
erstreckt, eine zweite Elektrode 35, welche um und in einem
Abstand von der ersten und geerdeten Elektroden 31 und 32 angeordnet
ist, eine Magnetspule 36 zum Erzeugen eines magnetischen
Feldes in eine Richtung der Zentralachse "–Z", Isolierglieder 41 und 42 zum
luftdichten Abschließen
eines Raumes zwischen der ersten Elektrode 31, der geerdeten
Elektrode 32 und der zweiten Elektrode 35, ein
Vakuumanschluss 38, welcher an eine Vakuumvorrichtung (nicht
gezeigt) gekoppelt ist, um ein Vakuum in dem geschlossenen Raum
zu realisieren, und ein Triggerstecker 37 zum Erzeugen
von Hochspannungen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 31 und 35 auf,
wodurch sie elektrisch gekoppelt werden. Zwischen der ersten Elektrode 31 und
der geerdeten Elektrode 32 ist ein Isolierglied 34 angeordnet.
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Bezugszeichen 33 bezeichnen
einen geerdeten Anschluss. Bezugszeichen 51 bzw. 52 bezeichnen
Abschnitte, welche an eine ladende Leistungsversorgung bzw. an ein
Lastteil gekoppelt sind. Bezugszeichen 39 bzw. 40 bezeichnen
ein Schalter-Isolierglied bzw. eine Schalterplatte.
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Die Funktion des oben beschriebenen
Schalters wird nachstehend beschrieben.
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Wenn Hochspannungen mittels Betreiben des
Triggersteckers 37 zwischen der ersten und der zweiten
Elektrode 31 und 35 erzeugt werden, werden lokal
Elektronen induziert, wodurch die erste und zweite Elektrode 31 und 35 elektrisch
miteinander gekoppelt werden, während
ein Lichtbogen erzeugt wird.
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Zusätzlich bewegt sich der Lichtbogen
abwärts
mittels der magnetischen Felder, welche mittels der Magnetspule 36 in
die Achsenrichtung "Z" induziert werden,
und mittels des Lichtbogens in die Umfangsrichtung, um es der Entladung
zu erlauben, weit verbreitet aufzutreten, was die Elektroden davor schützt, lokal
beschädigt
zu werden.
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Die Bewegung des Lichtbogens nach
unten wird auf die geerdete Elektrode übertragen, so dass die geerdete
Elektrode 32 eine Überspannungsschutz-Aktion
erfüllt.
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Im Stand der Technik wird die Überspannungsschutz-Aktion
mittels einer zusätzlichen
Vorrichtung wie zum Beispiel einer Speicherbatterie zum Einstellen
einer Stromwelle durchgeführt,
so dass mittels Rückwärtsspannungen
verhindert wird, dass eine Lebensdauer des Schalters verkürzt wird.
Wenn zum Beispiel eine Diode für
die Überspannungsschutz-Aktion
verwendet wird, benötigt
der Hochspannungsschalter wie der erfindungsgemäße Schalter eine große Anzahl
von teuren Dioden.
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Jedoch können in der Erfindung, weil
die Überspannungsschutz-Aktion ohne Verwendung
von zusätzlichen
Vorrichtungen realisiert werden kann, Herstellungskosten reduziert
werden. Zusätzlich kann
mittels Einstellens eines Abstandes zwischen der ersten Elektrode 31 und
der geerdeten Elektrode 32 in Übereinstimmung mit einer Bedingung,
wo der Schalter verwendet wird, eine Dauer der Überspannungsschutz-Aktion eingestellt
werden.
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Zusätzlich kann mittels Einstellens
eines Grades an Vakuum des Raumes zwischen der ersten und zweiten
Elektrode 31 und 35 und der geerdeten Elektrode 32 eine
Durchbruchspannung in Übereinstimmung
mit einem System, wo der Schalter angewendet wird, sicher eingestellt
werden.
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Der obige Schalter ist mittels einer Übertragungsleitung
an einen Fühler
(nicht gezeigt) angeschlossen. Vorzugsweise ist die Übertragungsleitung aus
einem Koaxialkabel ausgebildet, um die Induktivität des Systems
zu reduzieren, dabei wird eine hohe Pulsenergie effektiv übertragen.
Insbesondere kann, wenn ein Litzendraht als Koaxialkabel verwendet
wird, der Wechselspannungswiderstand auch reduziert werden.